工作面縮面階段沖擊危險(xiǎn)性分析及防治

石文朋，魏寶貞，李 楠，譚 浩，陳兆生

(兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 273500)

0 引言

在工作面開(kāi)采期間，受到設(shè)計(jì)不合理及斷層等地質(zhì)條件的影響[1-4]，工作面往往會(huì)面臨縮面問(wèn)題，被迫形成不規(guī)則工作面。相對(duì)于正常開(kāi)采區(qū)域來(lái)說(shuō)，縮面區(qū)域開(kāi)采條件復(fù)雜，工作面更易產(chǎn)生應(yīng)力集中[5-7]。實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及學(xué)者研究表明，在多種因素影響下，工作面撤架縮面期間有較強(qiáng)的沖擊危險(xiǎn)性[8-9]，所以分析工作面縮面階段的沖擊風(fēng)險(xiǎn)具有必要性。以東灘煤礦1310工作面縮面段作為研究對(duì)象，對(duì)工作面縮面開(kāi)采期間的沖擊危險(xiǎn)性及防治技術(shù)展開(kāi)研究，通過(guò)分析工作面縮面階段的應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力集中程度，設(shè)計(jì)合理的防治方案，研究成果將對(duì)工作面沖擊地壓的防治起到實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1310工作面位于一采區(qū)西部，工作面采用調(diào)斜開(kāi)采與“刀把”縮面布置。工作面正常寬202.8 m，工作面“刀把”寬153.2 m。工作面回采煤層為3號(hào)煤，厚8.30～9.20 m，平均8.82 m，煤層傾角0°～7°，平均3°，煤層普氏硬度f(wàn)=2～3。工作面直接頂及基本頂分別為泥巖、中細(xì)砂巖，厚度約為23 m，屬于堅(jiān)硬頂板，工作面地質(zhì)構(gòu)造以C8向斜為主，受其影響斷層較為發(fā)育。1310工作面布置平面圖如圖1所示，以縮面位置處前后50 m的回采區(qū)域作為主要研究區(qū)域，以此來(lái)開(kāi)展工作面縮面階段沖擊地壓危險(xiǎn)性模擬分析。

圖1 1310工作面布置平面圖Fig.1 Layout plan of 1310 working face

2 工作面縮面階段沖擊危險(xiǎn)性模擬分析

2.1 縮面前工作面應(yīng)力分析

不同推進(jìn)步距工作面應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知，工作面推進(jìn)步距越大，工作面應(yīng)力集中范圍及集中程度也相對(duì)增大，呈正相關(guān)關(guān)系，由于輔助軌順的存在，應(yīng)力集中區(qū)域被割裂成2處，應(yīng)力峰值位置逐漸由工作面中部向軌順?lè)较蛞苿?dòng)。

圖2 不同推進(jìn)步距工作面應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of working facewith different advancing steps

工作面推進(jìn)5 m、25 m、45 m時(shí)的應(yīng)力分布曲線如圖3所示。由圖3可知，工作面前方應(yīng)力變化趨勢(shì)與推進(jìn)步距關(guān)系不大，均是先增后減，區(qū)別在于應(yīng)力值的升高，應(yīng)力集中峰值位置約處于工作面前方10 m處。在到達(dá)縮面位置前，應(yīng)力峰值不斷增大。隨著工作面不斷推進(jìn)，應(yīng)力增值并不是均勻變化的。工作面推進(jìn)5 m時(shí)應(yīng)力峰值約為32.58 MPa，推進(jìn)25 m時(shí)應(yīng)力峰值約為36.16 MPa，期間應(yīng)力增量約為3.58 MPa；推進(jìn)至45 m時(shí)應(yīng)力峰值約為42.43 MPa，相較于推進(jìn)25 m時(shí)應(yīng)力增加了約6.27 MPa，增幅擴(kuò)大了約1.75倍，由此可以證明越臨近縮面點(diǎn)工作面的沖擊危險(xiǎn)程度相對(duì)越高。

圖3 不同推進(jìn)步距工作面應(yīng)力分布曲線Fig.3 Stress distribution curve of working face with different advancing steps

2.2 縮面處工作面應(yīng)力分析

縮面處應(yīng)力云圖如圖4所示，工作面及煤柱應(yīng)力分布曲線如圖5所示。分析圖4、5可知：①當(dāng)工作面推進(jìn)50 m到達(dá)縮面位置時(shí)，工作面前方的應(yīng)力集中區(qū)域靠近輔助軌道順槽一側(cè)，應(yīng)力峰值約43.41 MPa，距離軌順內(nèi)幫約12.5 m。受縮面影響，輔助軌順外側(cè)的煤柱內(nèi)部也產(chǎn)生了應(yīng)力集中，峰值位置距輔助軌順外幫同樣約12.5 m。煤柱區(qū)域應(yīng)力峰值約41.06 MPa，稍小于工作面應(yīng)力峰值，但形成的影響范圍基本一致。②工作面推進(jìn)至該階段需進(jìn)行撤架工作，頂板穩(wěn)定性較差，而工作面及煤柱應(yīng)力集中區(qū)域又離輔助軌順較近，均集中在輔助順槽10～30 m范圍內(nèi)，由此判斷當(dāng)工作面推進(jìn)至縮面位置時(shí)，在兩側(cè)應(yīng)力集中及撤架縮面等因素疊加影響下，輔助軌順發(fā)生沖擊災(zāi)害事故的可能性較大。

圖4 工作面應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of working face

圖5 工作面及煤柱應(yīng)力分布曲線Fig.5 Stress distribution curve of working face and coal pillar

2.3 縮面后工作面應(yīng)力分析

縮面后不同推進(jìn)步距工作面及遺留煤柱應(yīng)力峰值變化曲線圖如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)工作面到達(dá)縮面點(diǎn)沿新切眼繼續(xù)推進(jìn)后，工作面及遺留煤柱的應(yīng)力峰值變化差距較大。工作面應(yīng)力峰值相較于縮面前整體變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大應(yīng)力差，說(shuō)明工作面的沖擊危險(xiǎn)程度有所降低。但縮面產(chǎn)生的遺留煤柱應(yīng)力峰值卻隨著推進(jìn)步距增加呈高速上升態(tài)勢(shì)，50 m推進(jìn)范圍內(nèi)增值約18.72 MPa，增值較大。兩者分析結(jié)果表明，縮面后的沖擊風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源主要是遺留煤柱，在縮面開(kāi)采的后期應(yīng)對(duì)此開(kāi)展重點(diǎn)防沖工作。

圖6 不同推進(jìn)步距工作面及遺留煤柱應(yīng)力峰值變化曲線Fig.6 Peak stress variation of working face and residual coal pillar with different advancing steps

3 工作面縮面階段沖擊地壓防治

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)掌握工作面應(yīng)力變化狀態(tài)對(duì)沖擊地壓的預(yù)警起到至關(guān)重要的作用[10-11]。1310工作面縮面期間，在軌順及輔助軌順幫部布置多組測(cè)站，保證監(jiān)測(cè)范圍不小于300 m，測(cè)站間距最大保持在20 m。每個(gè)應(yīng)力傳感器的安裝深度分別為8 m及14 m，兩者間隔1～1.5 m，如圖7所示。回采期間，若發(fā)生應(yīng)力黃色預(yù)警或紅色預(yù)警，應(yīng)立即判定是否有沖擊危險(xiǎn)，并及時(shí)采取對(duì)應(yīng)措施。

圖7 應(yīng)力在線系統(tǒng)布置示意Fig.7 Layout of stress on-line system

3.2 卸壓方案

通過(guò)大直徑鉆孔對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行卸壓是目前煤礦常用且有效的一種手段[12]，但不同煤礦所適用的具體方案有所差別?？s面期間，1310工作面全部順槽均利用大直徑鉆孔進(jìn)行預(yù)卸壓處理，鉆孔布置層位為順槽底板上部1.5 m左右，間距保持為2 m，平行于底板單排布置，鉆孔直徑為150 mm，深度應(yīng)至少大于15 m，如圖8所示?？s面期間，應(yīng)力監(jiān)測(cè)值基本穩(wěn)定未出現(xiàn)超限情況，證明了方案的有效性。

圖8 大直徑鉆孔布置示意Fig.8 Layout of large diameter boreholes

4 結(jié)論

(1)工作面縮面階段應(yīng)力集中范圍并不是固定的，沖擊災(zāi)害易發(fā)區(qū)域也并不相同?？s面前，越靠近縮面點(diǎn)工作面沖擊風(fēng)險(xiǎn)越高；當(dāng)推進(jìn)至縮面點(diǎn)，沖擊風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域?yàn)檩o助軌順，這是由于其兩側(cè)應(yīng)力疊加的后果；而在縮面完成后，工作面應(yīng)力變化較小，此時(shí)沖擊危險(xiǎn)的主要來(lái)源是遺留煤柱，其應(yīng)力峰值較大，發(fā)生沖擊災(zāi)害的可能性較高。

(2)在模擬的基礎(chǔ)上對(duì)1310工作面縮面階段的防沖方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)掌握工作面的實(shí)時(shí)應(yīng)力，通過(guò)大直徑鉆孔實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域的壓力釋放。工作面在縮面階段實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，未發(fā)生沖擊災(zāi)害事故，證明了防治方案的有效性，為類(lèi)似工程條件的防沖工作起到了參考作用。